電機控制在工業 4.0 的技術發展中發揮著重要的戰略作用。工業發展中的一個關鍵問題是能源使用。電力消耗正在顯著增長，部分原因是工業電動機的電力需求。由于這些不斷增長的需求，在電機控制領域尋找有效的解決方案是開發商和組件制造商等的首要任務。

隨著能源消耗的增加，由于涉及許多需要大量努力的電子技術的嚴格控制要求，設計復雜性也在增加。一個例子是使用寬帶隙 (WBG) 材料。

從功能的角度來看，電機控制由幾個層次組成。例如，運動控制需要執行非常復雜和計算密集的控制算法。電機控制涵蓋了廣泛的應用，從風扇和泵的簡單控制到更復雜的工業控制問題，包括機器人和伺服機構。在這里，我們來看看電機控制系統的關鍵組件。

電機和驅動器 直流電機是最常見的，因為它們更便宜，由一個定子（固定部分）——即永磁體——和一個移動部分（轉子）組成，其中包含連接到整流子的繞組，為整流子供電當前的。電機的速度控制是通過調節直流來實現的。為此，根據應用的性質，使用全橋、半橋或降壓轉換器來驅動直流電機。

交流電機基本上由變壓器組成，初級部分連接到交流電壓，次級部分傳導感應的次級電流。基于微處理器的電子設備、逆變器和信號調節用于控制該電機的速度。

控制器是一種電子設備，在控制系統中充當“大腦”。使用的控制器數量根據需要控制的單個過程的數量而有所不同。對于一個復雜的系統，可能有許多控制器。這些控制器中的每一個都可以向電機發送命令，同時從執行器本身接收指令。

工業應用中使用的機器人系統主要使用由交流電壓 (AC) 供電的三相電機。例如，圖 1?顯示了電子控制電路的框圖，其中專用微控制器 (MCU) 生成 PWM 信號。作為 MCU 的替代方案，DSP 或 FPGA 解決方案更適合實現復雜的數字濾波算法。

圖 1：交流供電的三相感應電機控制框圖（來源：德州儀器）

直流電機的控制器示例是 Trinamic 的TMCM-1637 5-A RMS 和TMCM-1638 7-A RMS 插槽型模塊，帶有兩個磁場定向控制器/驅動器，為磁場定向控制（或矢量控制）。這些模塊支持單相直流電機、兩相雙極步進電機和三相無刷直流 (BLDC) 電機（圖 2）。

圖 2：TMCM-163x 解決方案（來源：Trinamic）

IGBT絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 體現了電力控制電子設備的真正創新。作為開關解決方案，創新來自于高開關頻率。IGBT 代表了電力控制設備的基本功能，非常適合解決復雜的電機控制問題。

最新的解決方案在特別極端的使用條件下（例如在汽車行業使用逆變器驅動電動機時）在開關速度和行為穩定性之間建立了良好的關系。一個例子是 STMicroelectronics 的1,200-V IGBT S 系列。這些 IGBT 針對低頻（高達 8 kHz）的使用進行了優化，并具有低 V ce(sat)的特點。1,200-V IGBT S 系列基于第三代溝槽柵場終止技術。

GaN 和 SiC然而，WBG 材料，氮化鎵和碳化硅，作為硅基器件的替代品，正在電機控制應用中取得進展。在電力電子領域，WBG 材料提供的主要優勢包括更低的功率損耗、更高的效率、更高的開關頻率、更緊湊的尺寸、更高的工作溫度（遠超過硅可實現的 150°C 上限）、在困難的工作條件下更高的可靠性, 和高擊穿電壓。

例如，GaN 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 的更高電子遷移率轉化為更快的開關速度，因為通常在接頭中積累的電荷可以更快地分散。GaN 可實現的更快的上升時間、更低的漏源導通電阻 ( RDS(on) ) 值以及更低的柵極和輸出電容都有助于其低開關損耗和在高達 10 倍的開關頻率下工作的能力高于硅。

降低功率損耗會帶來額外的好處，例如更高效的配電、更少的散熱和更簡單的冷卻系統。許多電機控制應用需要風扇來提供強制空氣冷卻，以便在設備的安全運行限制內運行。通過使用 GaN，可以降低功耗并實現“無風扇”操作，這在電子無人機等輕量級應用中尤為重要。

在工業電源應用中，電子設計人員也可以通過使用 SiC MOSFET 來獲得好處，與傳統的硅基解決方案（如 IGBT）相比，它提供了顯著的效率提升、更小的散熱器尺寸和更低的成本。?SiC 技術在體二極管關閉后發生的反向恢復階段實現了非常低的每單位面積 R DS(on) 、高開關頻率和可忽略的能量損失。

由于節能、減小尺寸、更高集成度和可靠性等特性，在電機控制和電力控制應用中使用 SiC 器件是一個真正的突破。這些特性使其非常適合汽車和工業自動化控制等高可靠性領域。

在工業驅動中，必須特別注意開啟和關閉換向速度。事實上，SiC MOSFET dV/dt 可以達到比 IGBT 高得多的水平。如果處理不當，高換向 dV/dt 會增加長電機電纜上的電壓尖峰，并可能產生共模和差模寄生電流，隨著時間的推移，會導致繞組絕緣和電機軸承出現故障。盡管更快的開啟/關閉提高了效率，但出于可靠性原因，工業驅動器中的典型 dV/dt 通常設置為 5 至 10 V/ns。

STMicroelectronics 對兩個相似的 1.2kV 功率晶體管（SiC MOSFET 和 Si 基 IGBT）進行的比較證明，與Si IGBT，即使在 5 V/ns 的強加條件下（圖 3）。

圖 3：基于兩電平、三相逆變器的驅動器（來源：意法半導體）

由于節能、減小尺寸、集成機會和可靠性等特性，在電機控制和電力控制應用中使用 SiC 器件通常是一個真正的突破。除其他選項外，現在可以在逆變器電路中為連接的電機使用最佳開關頻率，這在電機設計中具有重要優勢。

例如，英飛凌科技的基于 SiC 的?CoolSiC MOSFET采用 .XT 互連技術，采用 1,200-V 優化 D2PAK-7 SMD 封裝，可在伺服驅動器等功率密度關鍵電機驅動領域實現被動冷卻，從而支持機器人和自動化行業實施免維護和無風扇電機逆變器（圖 4）。

在自動化方面，無風扇解決方案帶來了新的設計機會，因為它們節省了維護和材料方面的成本和精力。例如，英飛凌采用 .XT 互連技術的 CoolSiC 溝槽 MOSFET 芯片解決方案以小尺寸提供了極具吸引力的散熱能力，使其非常適合在機械臂中集成驅動器。CoolSiC MOSFET SMD 器件的短路耐受時間為 3 μs，額定值為 30 mΩ 至 350 mΩ。這符合伺服電機的要求。

圖 4：所有操作模式下的傳導損耗降低（來源：英飛凌科技）

微控制器電機控制解決方案由硬件和軟件組件組成。硬件部分是電子控制器件，如 IGBT、SiC 和 GaN MOSFET、功率二極管等，而軟件部分解決的是硬件的控制，這正變得越來越復雜和精密。針對電源設備的控制和管理進行了優化的計算架構的可用性使開發人員能夠獲得在控制領域無法獲得的性能。

NXP Semiconductors 和 Renesas Electronics 舉了幾個例子。NXP 的MPC57xx系列 32 位處理器基于適用于汽車和工業動力總成應用的 Power Architecture 技術以及其他汽車控制和功能管理可能性。這些處理器提供 AEC-Q100 質量、用于防篡改的片上安全加密保護，并支持 ASIL-D 和 SIL-1 功能安全 (ISO 26262/IEC 61508)。它們為不同的通信協議提供以太網 (FEC)、雙通道 FlexRay 和多達 6 個 SCI/8 DSPI/2 I 2 C。

瑞薩電子提供基于 Arm Cortex-M4 內核的RA6T1 32 位 MCU，工作頻率為 120 MHz，并帶有一系列針對高性能和精密電機控制進行了優化的外設。單個 RA6T1 MCU 最多可以同時控制兩個 BLDC 電機。此外，用于 TinyML 應用程序的 Google TensorFlow Lite Micro 框架為 RA6T1 MCU 增加了增強的故障檢測功能，為客戶提供智能、易于使用且具有成本效益的無傳感器電機系統，用于預測性維護。

電機要求因應用而異，可能需要針對特定用例進行優化和微調。市場在 IGBT、WBG 半導體和 MCU 方面提供了多種解決方案來滿足這些要求。然而，需要開發新的硬件來從處理器中卸載實時關鍵任務，同時支持更多的診斷、預測性維護和人工智能以及功能安全系統。
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